淺議新型自動(dòng)掛彈車設(shè)計(jì)及優(yōu)化

張潤凱，馬鶴坤

（北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100074）

全剛性機(jī)構(gòu)掛彈車設(shè)備是由鉸接和滑動(dòng)桿件系統(tǒng)組成的升降機(jī)構(gòu)，通過升降臺(tái)舉升懸掛物，在上端平臺(tái)調(diào)整懸掛物的位置和姿態(tài)進(jìn)行對(duì)位，整套機(jī)構(gòu)安裝在可移動(dòng)的底盤上，就構(gòu)成了一輛掛彈車。升降機(jī)構(gòu)多采用液壓缸驅(qū)動(dòng)的平行剪叉機(jī)構(gòu)，此類機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是運(yùn)輸方便，但卻受限于低位掛點(diǎn)（比如機(jī)腹下）位置，進(jìn)行懸掛裝卸的操作，同時(shí)，也受飛機(jī)起落架、天線位置限制。連桿機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)的主要問題為對(duì)于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)綜合方法可分為軌跡發(fā)生、函數(shù)發(fā)生和剛體引導(dǎo)3種方法。傳統(tǒng)意義下的連桿方案制定有計(jì)算量大、間接不直觀等問題，限制這種機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。國內(nèi)眾多研究人員探索使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件等方式進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并將智能算法等引入四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化中。本設(shè)計(jì)滿足飛機(jī)外懸掛物的快速裝配和拆卸需求，開發(fā)了一種智能自動(dòng)懸掛掛彈車，該設(shè)計(jì)掛彈車具有對(duì)飛機(jī)準(zhǔn)確掛彈，操作方便、安全、靈活、良好的的通用性和復(fù)雜環(huán)境下的高可靠性。自動(dòng)掛單車由調(diào)姿機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、底架、電氣控制等部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 小車組成圖

1 組成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 底架

移動(dòng)平臺(tái)基于人機(jī)功效和安全性設(shè)計(jì)，配置操作平臺(tái)和急停裝置等便于操作人員進(jìn)行控制和故障保護(hù)，并設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口可根據(jù)實(shí)際需求，安裝相應(yīng)的功能組件。底盤上采用麥克納姆車輪，是一種可在二維平面無死角任意移動(dòng)的高精度設(shè)備，通過單獨(dú)控制輪子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)車的直行、橫行、斜行、原地旋轉(zhuǎn)、連續(xù)曲線移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活、平穩(wěn)可實(shí)現(xiàn)靈活精準(zhǔn)定位和控制。全向AGV能根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)指令自主完成移動(dòng)，在斷電或者故障情況下，也可通過機(jī)械解鎖，采用人力推拉移動(dòng)。小車底盤移動(dòng)平臺(tái)圖如圖2。

圖2 小車底盤移動(dòng)平臺(tái)

1.2 調(diào)姿機(jī)構(gòu)

調(diào)姿機(jī)構(gòu)組成包括橫移電機(jī)導(dǎo)軌、螺旋升降電機(jī)、手輪、固定夾、彈托、壓力傳感器等。位姿調(diào)整通過直線滑軌和螺旋升降機(jī)，來完成載體三維位置空間上的移動(dòng)，包括橫移、前進(jìn)、上下動(dòng)作。載體中心垂直位置設(shè)置有標(biāo)尺即對(duì)準(zhǔn)刻度，通過調(diào)節(jié)標(biāo)尺指針對(duì)齊調(diào)整姿態(tài)。固定托和夾彈托上裝有聚四氟乙烯樹脂和羊毛氈，保護(hù)導(dǎo)彈的外殼免受劃傷，以及起到緩沖作用，防止內(nèi)部電器件損壞。同時(shí)，夾彈托上有力傳感器，可智能控制對(duì)載體的支持力。兩組調(diào)姿機(jī)構(gòu)中心對(duì)稱放置，通過橫移電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋升降機(jī)上下移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)水平±10°，俯仰±5°的姿態(tài)調(diào)整及位置的實(shí)現(xiàn)。調(diào)姿機(jī)構(gòu)圖如圖3。

圖3 調(diào)姿機(jī)構(gòu)

1.3 舉升機(jī)構(gòu)

舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用絲桿齒條齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)連桿使平臺(tái)升降，由減速電機(jī)提供動(dòng)力來帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的絲母帶動(dòng)齒條推動(dòng)叉，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪和連桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)升降。齒輪齒條傳動(dòng)具有工作性連續(xù)、升降速度快、操作簡單同步性好等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)舉升機(jī)構(gòu)采用多種傳動(dòng)方式相結(jié)合的方式，與剪叉式相比，四連桿平動(dòng)系統(tǒng)占用的基坑小、行程大、質(zhì)量輕、操作簡便、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。鑒于整車的機(jī)動(dòng)性及輕量化的考慮，小車整體的重量需要控制在一定范圍，進(jìn)而需要很大程度的減重，減重主要集中在上板、下板及連桿上，同時(shí)保證其強(qiáng)度和剛度。圖4為舉升系統(tǒng)上下板結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖，優(yōu)化后重量比優(yōu)化前輕了300kg。舉升機(jī)構(gòu)的上板加有蒙皮，同時(shí)，裝有防護(hù)罩安裝，防止車身進(jìn)水，防雨。

圖4 舉升機(jī)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

2.1 底架

底盤不僅作為整個(gè)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)平臺(tái)，也作為整體的承重平臺(tái)。底盤采用Q345方管焊接而成，自重400kg，額定載重700kg。根據(jù)安裝位置來設(shè)定邊界條件和載荷受力。如圖5所示為底盤承重受力分析，最大應(yīng)力16.49MPa，最大變形1.5mm。

圖5 底盤受力分析

2.2 舉升機(jī)構(gòu)

（1）上下底板的優(yōu)化。舉升機(jī)構(gòu)的上下板作為載體，下板固定在底盤上，同時(shí)，通過安裝座和連桿鏈接；上板安裝有兩組調(diào)姿夾彈裝置，作為平臺(tái)固定調(diào)姿夾彈機(jī)構(gòu)。上下板在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度前提下，進(jìn)行減重優(yōu)化，優(yōu)化前后，上板減重26kg，下板減重104kg，優(yōu)化前后模型圖如圖6、圖7所示。

圖6 上板優(yōu)化前后

圖7 下板優(yōu)化前后

（2）連桿受力分析。舉升機(jī)構(gòu)的連桿作為主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過軸承傳動(dòng)，平動(dòng)舉升上工作臺(tái)，達(dá)到升降的目的。工作過程中受較大變化的動(dòng)載影響，要考慮其應(yīng)有較高的強(qiáng)度和可靠性。本部分采用剛?cè)狁詈系乃矐B(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，進(jìn)行邊界條件求解，確定連桿最大壓力載荷，取1/6連桿組，將上板和承載的重力平均分布在一組連桿上端即700N，施加轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行連桿受力分析。如圖8～10所示，主動(dòng)連桿從和地面平行位置開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為60°時(shí)，最大變形為1003.3mm。初始位置連桿克服阻力最大，此時(shí)，連桿所受最大應(yīng)力為149.5MPa，最大應(yīng)力位置在連桿和軸承座連接部位即下連桿根部，整個(gè)過程中安全系數(shù)最小為1.672，大于1，整體機(jī)構(gòu)安全。

圖8 連桿組合的變形云圖

圖9 連桿的應(yīng)力云圖

圖10 連桿的安全系數(shù)

（3）齒輪齒條嚙合分析。一些學(xué)者對(duì)齒輪齒條在傳動(dòng)舉升過程中的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和強(qiáng)度校核，發(fā)現(xiàn)彎曲疲勞破壞是其失效的主要形式，其研究發(fā)現(xiàn)，升降平臺(tái)的齒輪齒條機(jī)構(gòu)在海洋復(fù)雜情況下易產(chǎn)生疲勞損壞，其破壞程度和齒輪齒條的倒角大小有關(guān)。學(xué)者采用ANSYS軟件建立升降平臺(tái)齒輪齒條的二維和三維數(shù)值模型并進(jìn)行應(yīng)力分析，通過仿真結(jié)果優(yōu)化齒輪過度圓角和齒條齒寬。本部分采用穩(wěn)態(tài)靜力學(xué)分析，研究齒輪齒條嚙合過程中，齒尖受力情況。其中，電機(jī)帶動(dòng)齒條移動(dòng)，作為主動(dòng)裝置，齒輪作為從動(dòng)裝置阻力單元，施加阻力扭矩載荷，進(jìn)行受力分析，結(jié)果云圖如圖11所示，最大應(yīng)力處位于齒輪齒根處，大小值為92MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

圖11 齒輪齒條直接受力云圖

3 結(jié)語

（1）設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型連桿平動(dòng)舉升的智能掛彈車，傳動(dòng)方式采用絲桿齒條齒輪傳動(dòng)，整體可控性好，操作方便。（2）結(jié)合剛體動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)分析，分析傳動(dòng)過程中連桿、齒輪齒條強(qiáng)度分析，連桿最大應(yīng)力在140MPa,安全因子為1.6，滿足工程要求安全系數(shù)。（3）設(shè)計(jì)研發(fā)一種新型自動(dòng)掛彈車，提高作戰(zhàn)效率，縮短戰(zhàn)時(shí)準(zhǔn)備時(shí)間，為持續(xù)作戰(zhàn)能力提供一種實(shí)踐；對(duì)推動(dòng)新型舉升裝置的研發(fā)，提升舉升平臺(tái)設(shè)備產(chǎn)品的性能及優(yōu)化改進(jìn)有著重要意義。